航空航天復雜產品裝配仿真實施方案研究

李兆宇 李小強 金朝海 穆興科 王 亮 沈 重

航空航天復雜產品裝配仿真實施方案研究

李兆宇1李小強1金朝海1穆興科2王 亮3沈 重2

（1. 北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191；2. 中國運載火箭技術研究院，北京 100076； 3. 北京星航機電設備有限公司，北京 100074）

在某型號航天產品裝配仿真工作的基礎上提出一個具體的裝配仿真實施方案，詳細介紹裝配仿真工作的操作流程。該流程一共包含“了解裝配信息、準備仿真模型、裝配過程仿真、仿真結果輸出”四個階段。并具體闡述了方案實施的每個階段中要完成的工作和注意的問題。通過研究裝配仿真的實施方案，為今后順利開展其他航空航天復雜產品裝配仿真工作提供參考。

裝配；仿真；實施方案；航空航天；復雜產品

1 引言

航空航天復雜產品（如飛機、火箭、導彈等）的子系統眾多，空間布局緊湊，零部件的數量數以萬計，導致裝配過程中會出現零部件之間干涉、裝配順序和裝配路徑難以規劃、安裝空間狹小等諸多問題。裝配仿真技術是當前處理航空航天復雜產品裝配問題的關鍵技術，它可以代替傳統的“實物驗證”的裝配模式，對仿真過程中發現的產品裝配干涉、操作空間可達性等問題進行分析并優化，最后完成對裝配工藝的驗證，保證其合理性。通過可視化的虛擬仿真形式可以有效提高產品的裝配成功率，并且可以減少產品的設計變更以及裝配工藝的規劃時間。

很多航空航天復雜產品裝配仿真工作在開展時往往由于沒有提前制定合理的裝配仿真方案，導致工作效率低下，仿真進行不順利，因此開展航空航天復雜產品裝配仿真需要有一個合理的實施方案。某型號航天產品的裝配仿真工作歷時六個月完成，采用CATIA軟件繪制三維模型，DELMIA軟件進行裝配仿真，在仿真過程中對產品的裝配工藝、工裝方案等進行了驗證。本文在該型號產品裝配仿真工作的基礎上結合國內外裝配仿真方面的研究，提出了一個針對航空航天復雜產品裝配仿真的方案，該方案成功應用于該型號的裝配仿真工作中。圖1為裝配仿真實施方案的流程圖。

圖1 裝配仿真流程圖

2 裝配信息

根據某型號航天產品裝配仿真的經驗，在裝配仿真之前，首先需要了解裝配信息，這是后續所有工作的基礎。裝配信息包括產品的系統組成以及產品的裝配工藝。航空航天復雜產品結構復雜，子系統眾多，不同系統實現不同的功能，且不同零組件的裝配工藝各異，如果對這些信息認識不清，在后續裝配仿真工作時很容易出現模型處理不完善、仿真動作遺漏等錯誤。

2.1 產品的結構組成

圖2 F-35裝配路線圖

可以通過繪制產品裝配路線圖的方式表達出產品的結構組成，這種方式有助于加深對產品結構的了解。例如對美國F-35戰機進行裝配仿真工作，首先可以通過構建如圖2所示的裝配路線圖，充分了解其結構組成。裝配路線圖應詳細描述F-35戰機各個部件裝配的順序以及包含的零組件，并且要標注每個零部件的名稱。

2.2 產品的裝配工藝

首先了解產品的裝配順序、裝配路徑以及在裝配過程中所要用到的工裝等裝配資源，其次明確裝配仿真工作要驗證的裝配工藝目標，具體包括：

a. 對裝配過程中的順序、路徑的合理性進行驗證；

b. 對裝配過程中用到的工裝的可達性、可操作性進行驗證；

c. 對裝配過程中人的可達性、可視性進行驗證。

3 準備仿真模型

準備仿真模型指準備裝配仿真用到的數字化模型，準備工作包括對模型進行輕量化處理和簡化處理，以便于裝配仿真的順利進行。

3.1 產品數字化模型

3.1.1 產品模型

在進行產品的裝配仿真之前，需要準備完整的產品三維數字化模型。由于在產品的設計過程中會進行修改和優化，所以在準備模型時要注意更新產品修改后的模型。

3.1.2 資源模型

裝配仿真過程中用到的裝配資源模型主要包含[1]：產品型架（用于支撐飛行器機身，并且可以準確定位和夾緊飛行器的零組件，便于工人進行裝配操作）、吊具、專用工裝（機械臂、滑軌、專用支架等）、工作梯、扳手等；同時也包括工人的模型。

3.2 模型的處理

3.2.1 模型的輕量化處理

CATIA軟件設計的模型文件為Product和Part格式，占用的數據量較大，如果不經處理輸入到仿真軟件中，會導致占用計算機大量運行內存，使仿真軟件運行卡頓。為保證仿真過程的流暢，通常需要將一些數據量很大的零組件模型的格式轉換為輕量化格式。在DELMIA軟件中，需要將數模的格式轉換成輕量化的cgr格式的文件，這種格式的文件不包含模型任何參數化的數據，僅保存了模型的外形信息[2]，從而大大減少了內存的占用量。在裝配仿真過程中可以對輕量化模型進行測量、剖切、隱藏等操作。

在某型號飛行器的裝配仿真工作中，通過對飛行器模型的輕量化處理，大大減少了原始模型的內存占用量，具體數據如表1所示。

表1 模型輕量化處理數據

3.2.2 模型的拆分處理

模型拆分處理的依據是裝配工藝設計中的裝配工藝分離面劃分。工藝分離面指為了滿足裝配需要，將飛行器結構進一步劃分所形成的分離面[3，4]。航空航天復雜產品在裝配過程中需要對產品的部件進行細致的劃分，把部件分為段件，段件進一步劃分為板件和組件，能夠擴大產品裝配工作面，將工作分解、平行進行且便于采用更加簡單的裝配定位方法[5]。航空航天復雜產品的結構分解圖如圖3所示。

圖3 航空航天復雜產品結構分解圖

由于模型的設計過程與裝配工藝的設計過程相對獨立，產品的設計模型往往沒有按照裝配工藝分離面設計，沒有考慮到裝配仿真的需要，因此有必要對設計模型進行拆分處理。比如某產品起落架組件的設計模型只考慮了設計和管理的方便性，將支撐桿與螺釘設計成了一個零件，而裝配仿真時需要將螺釘連接到支撐桿上的過程體現出來，所以需要將該起落架模型拆分，將支撐桿和螺釘分別保存成單獨的零件，劃分出裝配工藝分離面。

4 裝配過程仿真

4.1 仿真步驟和內容

4.1.1 仿真步驟

a. 在DELMIA中建立裝配流程文件；

b. 將裝配產品和工裝資源的模型導入DELMIA軟件中，由于一些模型在設計完成后命名時只有零件編號而缺少中文名稱，為了在仿真時便于識別零部件，應為沒有中文名稱的模型添加中文名稱；

c. 定義產品、資源模型的初始位置及狀態，將其調整到合適的顯示視角和大小，并保存；

d. 在之前建立的仿真流程的結構樹上插入仿真操作內容（包括添加裝配動作、視角、隱藏和顯示以及文字注釋等）[1]，對產品進行裝配仿真。

4.1.2 仿真內容

裝配仿真的主要內容是對所裝配產品的裝配順序和裝配路徑的合理性、裝配操作空間的可達性和可視性以及人機功效等方面進行驗證，主要進行以下兩個方面的操作。

4.1.2.1 裝配干涉檢查

干涉檢查是裝配順序和路徑規劃的基礎，也是判斷裝配順序和裝配路徑規劃的合理性的重要依據。所裝配的零部件在按照規劃的裝配順序和裝配路徑裝配時，確認不會與其他零部件發生干涉，才能保證裝配成功[5]。

在DELMIA中，裝配干涉分析可以通過打開“碰撞”開關實現，在有干涉的地方，會出現提示，如圖4所示。

圖4 DELMIA干涉檢查

4.1.2.2 人機工程仿真

人機工程仿真是通過在仿真軟件中建立人體模型[6]，模擬工人的實際裝配操作，進行動態仿真，分析工作人員的操作空間和姿態，從而驗證裝配空間的可達性、可視性及人機功效。通過人機工程仿真能夠進行如下幾個方面的研究：a.可達性分析，即分析所裝配的零部件能否在工人的裝配操作區域之內，以此為一個標準來檢驗所規劃的零部件裝配序列、裝配路徑是否適合工人的實際裝配操作。b.可視性分析，即分析所裝配的零部件能否在工人裝配時的可視范圍之內，以此為一個標準來檢驗所規劃的零部件裝配序列、裝配路徑是否適合工人的實際裝配操作。c.操作范圍的合理性與操作舒適性分析，即分析檢查裝配操作空間能否貼近工人實際的活動范圍，工人在操作空間內進行作業時舒適性是否得到保障[7]。圖5為美國F-35戰機裝配仿真過程中使用的人機工程仿真，驗證了裝配可達性、可視性與作業空間的合理性。

圖5 F-35的人機工程仿真

人機工程仿真首先要建立人體模型，DELMIA中的人機工程模塊可以在虛擬環境里迅速建立人體原型，提供了不同比例的男女人體模型庫用于創建人體模型，并且可以對人體模型進行姿態和視角的調整。圖6為DELMIA中的人機模型設置。

圖6 DELMIA中的人機模型設置

人機工程仿真的難點在于設置虛擬人的姿態、動作等以便更加真實地模擬工人的實際裝配操作，設置的過程較為復雜繁瑣，需要花費大量的時間。圖7為典型的DELMIA中設置人的姿態的人機工程仿真。

圖7 DLEMIA中的人機工程仿真

4.2 仿真階段劃分

在進行裝配過程仿真時，由于航空航天復雜產品的裝配仿真工作量很大，需要花費較長時間，為了提高裝配仿真的效率，需要合理劃分裝配過程仿真的工作階段。根據某型號航天產品的裝配仿真工作經驗，裝配過程仿真可劃分為三個階段，以達索公司對某公務機設計過程中使用的裝配仿真的圖示進行說明。

4.2.1 初步的全流程仿真

這一階段的仿真對象是產品的整體模型，主要是根據裝配方案及流程，對產品裝配的全過程進行一遍粗略的仿真，包括裝配序列仿真、簡單的裝配路徑仿真和干涉檢查。在這個階段可以省略人機工程仿真，以及工裝等制造資源的使用。

通過初步的全流程仿真，可以梳理出產品裝配的關鍵部位及關鍵部件,為后續的仿真做準備，同時可以驗證當前流程的可行性。如圖8所示。

圖8 初步的全流程裝配

4.2.2 分系統仿真

圖9 分系統仿真

這一階段的仿真對象是產品各個系統的模型。由于在工藝人員進行裝配仿真過程中，設計人員也在對產品的模型狀態不斷優化，隨著產品模型狀態的完善以及產品各系統設計的完成，工藝人員需要根據產品最新的模型狀態，在裝配廠房人員的參與下，結合工裝等外圍環境模型，針對產品的各個系統開展裝配仿真分析，具體包括裝配序列仿真、裝配路徑仿真、干涉檢查以及人機工程仿真。這一階段要詳細驗證出產品各系統的零組件在當前裝配工藝下的可裝配性，及時發現并記錄各種干涉問題。通過分系統仿真，可以驗證產品裝配總體布局和產品各系統裝配方案的正確性，并對關鍵部位及關鍵部件進行仿真驗證，確保后續總裝和制造的風險可控。如圖9所示。

4.2.3 全流程仿真

這一階段的仿真對象是產品的整體模型。首先需要整理出整個產品最新的基線模型，確定要仿真的模型狀態是最終凍結的狀態。然后在中期階段完成的產品各系統的仿真并確定的裝配方案基礎上，對產品整個模型進行全流程的仿真。仿真時，可簡化裝配路徑仿真，省略裝配干涉檢查，而裝配順序仿真和人機工程仿真則正常進行。這一階段是以分系統的仿真為基礎的，可以驗證總裝流程的可行性，為后續工廠的實際總裝工作奠定基礎。如圖10所示。

圖10 全流程仿真

4.3 仿真優化

仿真優化主要是對于干涉問題的優化。裝配仿真過程中發現的干涉問題主要分兩類：一是產品自身設計上的干涉問題，應及時反饋給產品設計人員，使其修改設計模型進行優化。二是產品裝配時的出現的干涉問題，應及時反饋給工藝人員，可以通過重新設計裝配順序和路徑，再通過仿真驗證，反復迭代，得出合理的裝配順序和路徑，優化裝配工藝。

5 輸出仿真結果

在仿真完裝配過程之后，通常還需要優化仿真視頻，如調整仿真視角、改變仿真時長等，從而更真實地模擬裝配過程，最后輸出仿真結果，表現形式如下：

5.1 仿真視頻

在錄制仿真視頻時，由于DELMIA軟件自帶的錄屏功能生成的視頻文件占用內存很大，且錄制時間很長，因此建議采用專門的錄屏軟件對裝配仿真的動畫錄制視頻，這樣可以很大程度地減少錄制視頻用時和視頻內存。

5.2 仿真文件

要將仿真所用的模型和生成的文件歸檔保存，根據實際項目經驗，歸檔有以下幾點原則：

a. 分級建立文件夾，文件夾的層次不能過多，一般在四層左右。圖11為一個圖示范例。如果層數過多，會導致打開模型時出現軟件鏈接不到最后級別文件夾中的模型，或者鏈接出現錯誤，鏈接到別的層數較少的文件夾中。

b. 文件夾命名應注意，最好附上模型的版本或建立的日期，以防與后續建立的文件夾混淆。

c. 文件夾建立的層次要清晰，第一級為一個總的文件夾，第二級為Product、Resource、Process等模型用途的分類，第三級為具體的零部件模型。

圖11 建立文件夾的示例

5.3 仿真分析報告

報告中應該突出以下幾點內容：

a. 裝配仿真前產品的基線模型和技術狀態；

b. 裝配工藝方案；

c. 裝配仿真要點；

d. 仿真過程中發現的問題及解決情況；

e. 裝配仿真的結論。

6 結束語

裝配仿真技術是當前應用于產品裝配的先進技術，對于航空航天復雜產品的裝配仿真工作，開展起來有一定的難度。本文根據某型號飛行器的裝配仿真工作，結合相關文獻，提出一個針對航空航天復雜產品裝配仿真的實施方案，并在裝配仿真項目中驗證了此方案的其可行性，但方案中也存在不足之處，即裝配過程仿真時由于DELMIA軟件的局限性，沒有實現并行開展產品各個分系統的仿真，導致這一階段的工作時間增加。本文系統總結了裝配仿真工作流程，詳細記錄了裝配仿真工作中出現的問題以及需要注意的事項，為今后其他裝配仿真工作的開展提供一定的參考。

1 沈重，張家雄，戰玉曉，等. 基于DELMIA的復雜航天器數字裝配技術與應用[J]. 航天制造技術，2015(1)：61～64

2 楊浩. 基于BIM鋼結構節點設計技術研究與開發[D].武漢：武漢大學，2018

3 飛機制造工藝導論[EB/OL]. [2018-10-24]. https://wenku.baidu.com/view/ 004737d2b52acfc788ebc956.html

4 飛機裝配工藝學[EB/OL]. [2018-9-13]. https://wenku.baidu.com/view/ 1ebda3ec19e8b8f67c1cb947.html

5 景武，趙所，劉春曉. 基于DELMIA的飛機三維裝配工藝設計與仿真[J].航空制造技術，2012，408(12)：80～86

6 沈波. DELMIA在ARJ21飛機中央翼裝配仿真中的應用[J]. 機械設計與制造工程，2011，40(11)：42～45

7 林美安. 飛機機身裝配工藝及仿真技術研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2010

Implementation Scheme Research of Assembly Simulation of Aeronautic and Astronautic Complicated Products

Li Zhaoyu1Li Xiaoqiang1Jin Chaohai1Mu Xingke2Wang Liang3Shen Zhong2

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Beijing University of Aeronautic and Astronautic, Beijing 100191；2.China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076；3.Beijing Xinghang Electromechanical Equipment Co., Ltd., Beijing 100074)

In this paper, specific scheme is introduced based on the assembly simulation work of some astronautic product. The process consists of four steps (make sure assembly information, prepare simulation model, assembly process simulation, simulation results output), and all steps are presented in detail. By summarizing the successful work experience, a guide is provided for other assembly simulation task of aeronautic and astronautic complicated products.

assembly；simulation；scheme；aeronautic and astronautic；complicated products

2018-11-30

李兆宇（1993），碩士，飛行器制造專業；研究方向：數字化裝配技術。

國防基礎科研重點項目（JCKY2016204B203）。